UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(UNIVERSIDAD DEL PERÚ DECANA DE AMÉRICA)

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

FÍSICA NUCLEAR I

EL CONTADOR GEIGER – MÜLLER

2015

INTRODUCCIÓN

Muchos de nosotros hemos escuchado la palabra radiactividad, y desde luego lo hemos asociado a reactores, cáncer y las armas nucleares; pero la radiactividad es uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX.

Desde que estuvo envuelto en un halo de misterio en sus inicios, hasta la explicación mediante la física cuántica y nuclear, este fenómeno sigue siendo una inagotable fuente de aplicaciones, y una de ellas es la detección mediante el contador Geiger-Müller.

Fue el francés Henri Becquerel quien en 1896, observó que ciertos minerales emiten una radiación que en ese momento era desconocida, luego Marie Curie la llamó radiactividad. Mas tarde se clasificó tres tipos de estas radiaciones: la alfa, la beta y la gamma, fue en ese momento donde se vio la necesidad de contar con un instrumento, que detectara dichas radiaciones, así es que en 1908 el neozelandes Ernest Rutherford junto al alemán Hans Geiger, inventaron un contador de radiación alfa. Luego Geiger junto a su alumno Walther Müller mejoraron el detector para otras radiaciones.

En el presente trabajo vamos a explicar el funcionamiento, las características, los tipos y usos del detector o también llamado contador Geiger-Müller.

DESARROLLO:

Sabemos que los núcleos atómicos emiten espontáneamente tres tipos de radiaciones, que se les llama: alfa () beta () y gamma (), junto a partículas neutras. Para ello se han de desarrollado sendos detectores y que en la mayoría de casos, funcionan a partir de la perdida de la energía por ionización de una partícula cargada. Las partículas cargadas suelen detectarse mediante la ionización que producen en una cámara, un contador proporcional, tubo Geiger-Müller, contador de cristal, contador de centelleo o mediante la excitación de una sustancia fosforescente o fluorescente.

Detectores gaseosos.

Los detectores de partículas se basan en la energía perdida por la partícula cargada debido a la ionización del medio que atraviesa. El material detector es el gas; los potenciales de ionización son del orden de 10eV, pero en promedio, por ejemplo en el aire, la partícula cargada pierde 30 a 35eV por cada par ión-electrón formado. Colectando las cargas libres creadas, es posible obtener un pulso eléctrico, señalando el paso de la partícula cargada.

Figura 1. (http://www.alunosonline.com.br/upload/conteudo/images/esquema-do-contador-geiger.jpg)

El tipo más simple de un detector gaseoso consiste en una cámara cilíndrica con un alambre estirado en el centro, como se muestra en la figura 1. Las paredes de la cámara actúan como un electrodo negativo, y un voltaje positivo es aplicado al electrodo central.

Bajo la influencia del campo eléctrico, los electrones son colectados en el centro mientras los iones positivos se mueven en dirección a las paredes. Es deseable colectar las

Argón gaseoso

Ventana

Trayectoria de la partícula del material radiactivo

Fuente de alta tensión

Electrodo central

Amplificador o contador

cargas libres antes de que se combinen en el gas; esto es principalmente una función de la presión del gas y del voltaje aplicado.

Si el voltaje es incrementado lo suficiente, los electrones ganan energía suficiente para ionizar a través de colisiones algunos átomos del gas, así que existe una multiplicación significante de las cargas libres creadas originalmente por el paso de la partícula. En la figura 2, la curva β relaciona el número de pares ión-electrón colectados como función del voltaje aplicado cuando un electrón (ionización mínima) atraviesa el detector; la curva α representa los mismos resultados pero para una partícula mucho más ionizante.

En la figura 2, la curva β relaciona el número de pares ión-electrón colectados como función del voltaje aplicado cuando un electrón (ionización mínima) atraviesa el detector; la curva α representa los mismos resultados pero para una partícula mucho más ionizante.

Figura 2. (Física nuclear. W.E Burcham. pag 160)

En la figura 2, vemos las siguientes regiones de operación de un contador gaseoso: en las regiones I y II el voltaje es suficiente para colectar todos los pares ión-electrón, pero no lo suficiente para producir cualquier multiplicación. Un detector operado entre estas regiones es llamado “cámara de ionización”. Cuando el voltaje es aumentado, se alcanza la región III, donde se da la multiplicación de las cargas libres originales mediante la interacción de los electrones mientras se mueven a través del gas hasta llegar al electrodo colector. Sin embargo, por encima de un rango considerable de voltaje, el número total de pares ión-electrón colectados es justamente proporcional a la ionización original causada por el paso de la partícula cargada.

Un detector operado en esta región es llamado “contador proporcional”; tiene una ventaja sobre el contador de ionización en que las señales son más fuertes, las ganancias alcanzadas están en el orden de 102 a 104. Finalmente, un mayor incremento en el voltaje lleva a la región V, donde multiplicaciones muy grandes son observadas, y donde el número de pares ión-electrón es independiente de la ionización inicial. Esta es la región del “Contador Geiger-Müller”, que tiene la gran ventaja de un pulso de salida muy grande, así que su operación es simple y de confianza.

Contador Geiger-Müller.

Se anotó anteriormente que un contador gaseoso opera en la región Geiger cuando el voltaje entre los electrodos es suficientemente grande; esto es, el paso de una partícula cargada inicia una descarga en el gas, y como resultado aparece un pulso de salida que es independiente de la ionización original. Si el voltaje aumenta aún más, se dan descargas espontáneas, haciendo el dispositivo inservible como detector de partículas.

Una consideración importante del contador Geiger-Müller es el “enfriamiento” de la descarga iniciada por el paso de una partícula cargada. Hasta que el gas vuelva a su estado neutro, el paso de una partícula cargada no producirá un pulso de salida; este es el periodo de tiempo durante el cual se dice que el contador está “muerto”.

En orden de operar un contador Geiger apropiadamente, la fuente de alto voltaje debe encontrarse en la región “Plateau” (ver figura 3), donde un pulso de salida similar es consistentemente obtenido para todas las partículas cargadas que atraviesan el contador.

Figura 3. (Física nuclear. W.E Burcham. pag 174)

Tiempo muerto:

Al paso de una radiación ionizante, y una vez registrada la señal eléctrica producida, el gas del detector necesita un tiempo para que se recombinen sus átomos para estar en disposición de registra el paso de otra. A dicho tiempo se le denomina tiempo muerto.

El tiempo muerto del contador puede obtenerse por una técnica “operacional”, como lo es el medir el conteo perdido cuando el detector es sometido a un alto flujo. Si el tiempo muerto es τ (s), y la rata de conteo R (cuentas/s), el detector es inoperante durante una fracción Rτ de segundo; la eficiencia de conteo verdadero es entonces 1−Rτ .

Características:

a) Un voltaje umbral Vg es que la amplitud de la señal eléctrica es independiente de la energía y naturaleza de la partícula, resultando la de mayor amplitud obtenible con la configuración del detector gaseoso utilizado.

b) Un Plateau de pequeña pendiente c) Una velocidad de recuento del fondo.d) Tiempo de insensibilidad relativamente largo.

En general, estos contadores se prevén para la detección de radiación beta o fotónica. Dado el gran poder de penetración de los fotones, las paredes del tubo pueden ser de vidrio o metal relativamente gruesos, no así en el caso de las partículas beta (pues son rápidamente frenadas en un material denso). Para que el detector resulte sensible a estas partículas, es necesario que disponga de una ventana fina que permita el ingreso de las partículas beta.

Para que tenga lugar la detección de un fotón X y gamma, debe por lo menos liberarse un electrón secundario, lo cual puede realizarse por interacción tanto con el gas de llenado como con el material de las paredes (cátodo) o del ánodo. El electrón liberado debe a su vez, alcanzar el volumen sensible del contador (volumen delimitado por el campo eléctrico, donde tiene lugar la multiplicación de iones) e iniciar una avalancha. La eficiencia intrínseca (relación entre el número de las partículas contadas y de las que llegan al detector) de un contador Geiger-Müller para radiación fotónica en general no pasa del 1 ó 2%. En el caso de la radiación beta, dado su elevado poder de ionización, si el

espesor de la ventana es suficientemente delgado, el valor de la eficiencia intrínseca del detector puede llegar hasta el 90%. Cuando se emplea un contador Geiger-Müller para medir intensidad del campo de radiación fotónica a través de la magnitud Exposición, debe considerarse la variación de la sensibilidad de respuesta (expresada en cuentas por unidad de exposición) en función de la energía de la radiación. La variación de sensibilidad con la energía representa un inconveniente cuando se desea medir exposición en un campo de fotones multienergéticos. En estos casos se recurre a la utilización de contadores Geiger-Müller ecualizados en energía.

Dos modelos de detectores Geiger – Müller

Figura 4. (http://rle.dainf.ct.utfpr.edu.br/hipermidia/index.php/medicina-nuclear/principios-fisicos-em-radiologia-mn/detectores-de-radiacao/contador-geiger#finalidade)

APLICACIONES.

Una de las principales aplicaciones del detector Geiger-Müller, es en los distintos laboratorios donde se trabaja con materiales radiactivos, ya que su portabilidad y sensibilidad los hace indispensables para la lectura de distintas radiaciones, así como la identificación de materiales que produzcan radiactividad.

Otro de los usos es en la industria nuclear, especialmente para la identificación de zonas donde haya una fuga de material radiactivo, como la identificación de sustancias radiactivas.

INVESTIGACIÓN.

Emisión de radiación ionizante por monitores de PC.

Constantino Pérez Vega y José M Zamanillo (Departamento de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria) 2004

En el artículo, los investigadores se proponen medir los niveles de radiación ionizante en los monitores de PC, para verificar los niveles de radiación expuestos por las personas que usan estos aparatos; para dicha medición usaron un contador Geiger-Müller , previamente calibrado con una muestra de 137Cs.

Se tomó medidas de la radiación de fondo de los entornos urbanos lejos de fuentes radiactivas, luego se tomó medidas de 10 monitores de distintas marcas y modelos a una distancia de 50cm en distintos puntos del monitor.

Al comparar los datos obtenidos, con la radiación de fondo en EEUU que está en el orden 0.526 – 0.935 mSv/año, se tiene que los monitores arrojan tasas de dosis efectivas en valores que van desde 0.935-1.005 mSv/año.

Ellos concluyen que para un monitor de PC a 50cm de la persona, este aparato aporta una radiación ionizante que en dosis efectiva, da al menos 7.5% más de radiación ionizante, con respecto a la radiación de fondo.

Descarga del artículo:

https://www.google.com.pe/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0CBsQFjAAahUKEwi3__69ttnHAhXLGh4KHQZeCWE&url=http%3A%2F%2Fpersonales.unican.es%2Fperezvr%2Fpdf%2FEmisi%25C3%25B3n%2520de%2520radiaci%25C3%25B3n%2520ionizante%2520por%2520monitores%2520de%2520PC.PDF&usg=AFQjCNGeKPDgo66PqyGMigUkgXLJMEJfiA&sig2=e3yzrJQrRf-QDBluJhgz-Q&bvm=bv.101800829,d.dmo

CONCLUSIONES.

- En el presente trabajo, vemos que es muy importante la medición de la radiactividad en los laboratorios y en la industria, por ello el descubrimiento de los contadores o medidores Geiger-Müller permitieron la comprensión de dicho fenómeno a partir de la medida cuantitativa.

- El contador Geiger-Müller es un tipo de medidor de la radiactividad (contador gaseoso) ya que hay otros tipos, pero hay que destacar que dicho contador tiene la facilidad de ser portátil, por lo tanto de ser muy útil en toma de medidas de la radiación, ya sea de lugares o materiales radiactivos.

- Hay una diversidad de aplicaciones del contador Geiger-Müller, y por ende aparecen modelos de dicho contador de acuerdo a las necesidades y facilidades de los que van a usarlos, ya sea de personas expertas para la investigación o el uso netamente descriptivo.

BIBLIOGRAFÍA.

- Nuclear Physics an introduction, W. E. Burcham, second edition, Editorial Reverte, 1973.

- Las radiaciones, II. El manejo seguro de las radiaciones nucleares, Rickards Campbell, Jorge y Ricardo Cameras Ross, Segunda edición (La Ciencia para Todos), Fondo de Cultura Económica, 1999

- Nuclear Principles in Engineering, Tatjna Jevremovic, Purpude University, 2009.

- Análisis del tiempo muerto de un detector Geiger-Müller. AC Ruiz, AA Pichardo, SR Neri, AP Solıs. 2005 (http://www.uaz.edu.mx/eniinvie/old/eninvie2005/inst4_2005.pdf)